Od obliczeń do montażu – droga do bezpiecznych połączeń śrubowych
Adobe Stock – thomas haltinnerPrecyzyjne modelowanie jest podstawą bezpiecznych połączeń śrubowych oraz pozwala zaoszczędzić czas i koszty. Obliczenia oparte na metodzie elementów skończonych (MES) i symulacje z wykorzystaniem cyfrowych bliźniaków optymalizują rozwój tego typu połączeń, a także pozwalają wykrywać ewentualne błędy już na wczesnym etapie.
Każde połączenie śrubowe powinno być poprzedzone starannymi obliczeniami i modelowaniem. Przy pomocy standardowych metod (takich jak opisane w normie VDI 2230) inżynierowie mogą z góry zagwarantować niezawodność i bezpieczeństwo połączeń śrubowych. W tym celu projektanci mogą korzystać z narzędzi cyfrowych i wirtualnych.
Nie tylko śruby i inne elementy łączące coraz częściej mają swoje odzwierciedlenie w cyfrowym świecie. Dzięki technologii cyfrowych bliźniaków można także dokładnie przetestować funkcje narzędzi do wkręcania. Oszczędza to czas i pieniądze podczas projektowania, ale przede wszystkim gwarantuje, że podczas montażu i późniejszego użytkowania nie wystąpią żadne nieoczekiwane zdarzenia.
– Wyniki modelowania pomagają tworzyć wydajniejsze, bezpieczniejsze i bardziej opłacalne finansowo produkty – wyjaśnia Reinhard Blömer, dyrektor zarządzający firmy MDesign, która zajmuje się tworzeniem oprogramowaniem. W fazie koncepcyjnej wyniki te ułatwiają lepszą ocenę różnych alternatywnych rozwiązań projektowych. Badania różnorodnych wariantów i dobór odpowiednich materiałów są tymi elementami, które są rozważane na etapie projektowania. Ostatecznie wszystkie wnioski z prototypowania, testów i produkcji są uwzględniane przy opracowywaniu lub ulepszaniu kolejnych produktów.
Podczas modelowania szczególną uwagę należy zwrócić na obciążenia, geometrię, tarcie i jego rozproszenie, a także wpływ materiału i temperatury – zwłaszcza w przypadku stosowania różnych materiałów. Jak podkreśla Blömer: Precyzyjna ocena tych czynników pozwala zapobiec zarówno awarii połączenia, jak i przewymiarowaniu.
Przy tym ważne jest również dokładne poznanie właściwości powierzchni i sztywności komponentów. – W technologii połączeń śrubowych są to decydujące czynniki obok wpływu procesu montażu, w którym ważne są symulacje dokręcania i narzędzi – mówi Niels Rabbe, odpowiedzialny za rozwój produktów i ich zgodność z przepisami w firmie Atlas Copco.
Normy określają metody
W modelowaniu i analizie połączeń śrubowych stosuje się różne metody, które różnią się podejściem i obszarami zastosowań, choć w niektórych przypadkach mogą się też częściowo pokrywać. Jedna z najpopularniejszych metod w inżynierii mechanicznej (budowie maszyn) opiera się na normie VDI 2230, która jest podzielona na kilka części. Część 1. dotyczy weryfikacji połączeń, część 2. dotyczy określania obciążenia, a część 3. dotyczy wykonywania montażu połączeń śrubowych.
Metoda oparta na normie VDI 2230 oferuje szczegółowe podejście do obliczeń dla różnych typów obciążeń i specyficznych wymagań bezpieczeństwa, które są szczególnie istotne w zastosowaniach przemysłowych przy budowie maszyn.
Inne metody obliczeniowe opierają się na Eurokodach (w szczególności Eurokodzie 3), a także na uzupełniających je wytycznych AD i normach EN. W Eurokodzie 3, który jest stosowany przy projektowaniu konstrukcji stalowych, wykorzystuje się metody współczynników obciążenia i wytrzymałości, żeby spełnić rygorystyczne wymogi bezpieczeństwa dotyczące integralności strukturalnej konstrukcji.
Z innej strony obliczenia zgodne z wytycznymi AD (których większość opiera się na niemieckich normach DIN) i normami EN są w szczególności ukierunkowane na projektowanie oraz prawidłową eksploatację zbiorników ciśnieniowych i innych urządzeń ciśnieniowych. Metody te koncentrują się na uwzględnieniu obciążeń ciśnieniowych i termicznych oraz nakładają wysokie wymagania bezpieczeństwa dla systemów, które znajdują się pod dużym ciśnieniem.
Metoda elementów skończonych: wczesne wykrywanie źródeł błędów
– W ostatnich latach nastąpił dalszy rozwój wykorzystania modelowania i symulacji w odniesieniu do połączeń śrubowych w różnych konstrukcjach. Przy projektowaniu połączeń śrubowych coraz częściej wykorzystuje się kombinację numerycznych metod elementów skończonych (MES) i dowodów analitycznych – mówi Reinhard Blömer.
Shiva Kumar Manoharan, menadżer rozwoju biznesu FT w firmie Kistler Remscheid, specjalizującej się w technologii śrubowej, podaje precyzyjną definicję metody elementów skończonych: – Metody elementów skończonych to matematyczne podejście obliczeniowe, w którym tworzy się geometryczny model obiektu, a następnie dzieli się go na policzalną (skończoną) liczbę elementów, które są oddzielnie analizowane. Natomiast rozwiązanie między sąsiednimi elementami jest określane przez funkcję kształtu.
Obecnie analizę MES stosuje się we wszystkich obszarach inżynierii. Pionierzy, którzy jako pierwsi wykorzystali to podejście obliczeniowe do rozwiązywania problemów konstrukcyjnych, pracowali przy projektowaniu zapór wodnych. Teraz największymi gałęziami przemysłu, w których wykorzystuje się MES, są przemysł motoryzacyjny i lotniczy.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Metodę tę wykorzystuje się do określania krytycznych zachowań, takich jak wibracje, zderzenia i nośność poszczególnych komponentów konstrukcyjnych, a czasem nawet na poziomie całego pojazdu czy samolotu. Inne zastosowania można znaleźć m.in. w rowerach, implantach medycznych, urządzeniach medycznych, smartfonach i wieżowcach.
Obliczenia według metody MES służą obecnie do wczesnego (już na etapie projektowania) wykrywania potencjalnych awarii połączeń śrubowych o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa i zapobiegania im. Jak mówi Manoharan: Symulacje MES można wykorzystać jako pomoc w analizie błędów najpóźniej podczas testów i prób przedseryjnych, kiedy pojawią się problemy z komponentami o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa lub funkcjonalności.
Cyfryzacja i sztuczna inteligencja przyspieszają analizę
Według Reinharda Blömera w przyszłości te metody obliczeniowe zostaną dodatkowo rozszerzone o asystentów wykorzystujących algorytmy sztucznej inteligencji w narzędziach programowych. Umożliwi to jeszcze dokładniejszy i wydajniejszy rozwój.
Technologie cyfrowe już teraz umożliwiają bardziej precyzyjne opracowywanie narzędzi do wkręcania, dostarczając rekomendacje oparte na danych, które dotyczą działań w czasie rzeczywistym. Nie tylko wspiera to wzrost produktywności. Znacząco także przyczynia się do poprawy jakości dzięki zarówno utrzymywaniu na najwyższym poziomie wydajności stosowanych narzędzi, jak i nieustannemu udoskonalaniu procesów produkcyjnych.
– Istotnym postępem w tym kontekście jest tworzenie cyfrowych bliźniaków narzędzi do wkręcania. Te cyfrowe modele umożliwiają przeprowadzanie bardzo realistycznych symulacji działania narzędzi użytych do połączeń śrubowych w danych warunkach i przy określonych, często dość specyficznych parametrach – wyjaśnia Niels Rabbe. W połączeniu z modułem projektowania opartym na MES można precyzyjnie analizować i symulować różne warunki konstrukcyjne, aby uzyskać optymalne wyniki.
– Naszą wizją jest, żeby każdy krytyczny element połączenia śrubowego miał swojego własnego cyfrowego bliźniaka. Umożliwiłoby to producentom szybkie i skuteczne reagowanie na zmiany w łańcuchu dostaw i produkcji, tworząc w ten sposób elastyczne i solidne środowisko produkcyjne – kontynuuje Rabbe.
Autor jest współpracownikiem Vogel Communications Group. Artykuł został wcześniej opublikowany w czasopiśmie Konstruktions Praxis.
Wspomniane rozwiązania i innowacje zostaną zaprezentowane także na regionalnych targach SchraubTec Katowice 2025 (organizowanych przez Vogel Communications Group), które odbędą się 16.09.2025.
